极复杂地质异常带支护技术的应用总结

极复杂地质异常带支护技术的应用总结

王孟

王孟

淮南矿业集团顾桥矿安徽淮南232131

摘要：为解决矿井深部开采中极复杂地质异常带支护困难问题，针对顾桥矿南翼胶带机大巷（二）掘进中遇到的极复杂地质异常带地质构造，采用了注浆工艺与联合支护方式相结合的技术，通过现场观测，发现注浆工艺与常规支护相结合的技术无法满足支护要求；最终提出的注浆工艺与联合支护相结合的技术，取得了良好的支护效果。总结现场经验，注浆工艺与联合支护相结合的技术能够满足极复杂地质异常带支护要求，提高了极复杂地质异常带巷道使用寿命，减少了巷道维修，确保了矿井正常生产和工作面接替。

关键词：巷道支护；极复杂地质异常带巷道；注浆工艺；联合支护

1、概况

南翼胶带机大巷（二）设计长度为349米，其中上平巷207.8米，15°下山长64.3米，10°下山长5米，5.8°下山长28.7米，平巷长39.8米，水泱3.4米。巷道施工过程采用了两种注浆工艺与三种支护方式相结合。三种支护方式为联合支护、主动支护和被动支护；两种注浆工艺为超前注浆和滞后注浆，两种注浆工艺贯穿整条巷道施工过程。

2、地质情况

南翼胶带机大巷（二）为顾桥矿中央区与南区联接的主要运输大巷，巷道拨门位置位于-780m南翼轨道大巷内，根据在轨道大巷取芯实测资料得知，该巷岩性主要为砂质泥岩、煤线、泥岩及砂岩，巷道拨门向前41m处揭露F108-1正断层（172°∠70°～80°H=30m），未揭露F108-1正断层前巷道顶板距13-1煤底板法距35.5～29.6m，揭露岩性主要为砂质泥岩、泥岩、中砂岩和石英砂岩，沿巷道方向倾角∠1～10°；在巷道穿过F108-1正断层进入上盘之后，预计巷道底板距13-1煤层顶板法距在0～31.5m，揭露岩性主要为煤线、13-1煤层、13-2煤层、14煤层、泥岩、花斑泥岩和砂质泥岩，沿巷道方向倾角∠8～40°。

2.1联合支护—外锚内架喷支护

联合支护分为两段，一段是为了顺利通过F108-1正断层（断层跨度60m），断层前后共106m采用联合支护，一段是采用U型棚被动支护后剩余182m巷道，联合支护即主动支护与被动支护相结合，外层为主动支护锚网索，内层为被动支护架设U型棚。外层锚网索支护设计方案：巷道断面尺寸：净高×净宽=5800mm×4500mm，锚杆采用左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，规格为：Φ22×2500mm，间排距为800×800mm，锚杆均布置在钢筋网搭茬处；钢筋网采用Φ6.5盘圆筋加工，规格为：长×宽=1700×900mm，网孔＠100×100mm，网间搭茬100mm，并间隔300mm用12#铁丝双股进行连接，锚索为点锚索布置方式，间排距：1000mm×800mm，每根锚索外端配大小两块铁板托盘安装，大托盘规格：长×宽×厚=400×400×8mm，小托盘规格：长×宽×厚=200×200×10mm。锚索预紧力不小于120KN，锚索锚固力不小于350KN；内层架设U型棚设计方案：U型棚为36U型槽钢加工（36Kg/m），巷道断面尺寸：净宽×净高=5400mm×4300mm，每架U型棚由一个棚梁和两个棚腿组成，棚梁与棚腿搭接长度500mm，棚梁与棚腿之间用3副卡缆连接，卡缆间距中对中间距130mm，上部卡缆距棚腿上端头20mm，下部卡缆距棚梁端头20mm。搭接处严实合缝，卡缆螺帽上紧，螺母扭矩不小于300N·m；每两架U型棚之间的棚距为500mm，棚架之间使用8#槽钢拉条，一道拉条拉三棚，共5组，一组布置在棚梁正中，两组布置在棚梁上距上部卡缆500mm，两组布置在棚腿上位于腰线下300mm，拉条安装成一条直线；U型棚外铺设钢筋网笆片，钢筋网笆片规格：10根横筋Φ10mm，5根纵筋Φ6.5mm，长×宽=650×560mm，钢筋网笆片全断面背帮背顶，笆片钩统一朝一个方向，并嵌入U型棚槽内，两笆片之间压茬100mm，网片搭接处采用14#铁丝绑扎，铁丝长度400mm，间距200mm；架棚完成后要补打两排护腿锚杆（两根锚杆与一个卡缆配套），位置在腰线下900mm处，每孔用Z2380锚固剂2卷，锚杆规格为：Φ22×2500mm，扭矩不得小于300N·m。锚网索支护与架棚支护之间预留300mm的收缩空间，用木块或矸石初步填充，然后进行喷浆，喷浆材料为PSA32.5普通硅酸盐水泥、粒径5～10mm碎石、黄砂，按1：2：2（重量比）进行掺拌均匀，掺入速凝剂水泥重量的3～5%，喷浆厚度为100mm，强度为C20。

2.2主动支护—锚网索喷支护

由地质资料得知F108-1正断层揭露前岩性主要为砂质泥岩、泥岩、中砂岩和石英砂岩，岩性较好，固设计采用锚网索喷支护，位置为从拨门口向里34m（距F108-1正断层7m），主动支护与联合支护中的锚网索支护相似；只将锚索布置方式做了调整，锚索布置方式：沿巷道走向布置3道锚索梁，间排距：1600×1800mm，规格为：Φ21.8×6200mm，锚索均布置在“T”型钢带上，钢带按巷道走向压茬布置，“T”型钢带长度为3600mm，锚索眼孔间距1600mm，锚索垫板用同规格钢带制作，长度200mm，垫板中心预留φ24mm的圆孔。锚网索施工结束后进行喷浆，喷浆工艺同上。

2.3被动支护—U型槽钢支架（以下简称U型棚）+喷浆

巷道掘进顺利通过F108-1正断层后，为了加快施工进度，设计采用架设U型棚被动支护，U型棚被动支护位置从3‰上坡140m处开始，3‰上坡20m，15°下山7m，共27m，被动支护与复合支护中的架棚支护相同，架棚结束后进行喷浆，喷浆工艺同上。

2.4注浆工艺和不同支护方式的结合效果

两种注浆工艺分别为超前注浆和滞后注浆。超前预注浆，采用短掘短注的方式，以10m为一个循环，每个循环对掘进方向超前距离10m范围内，顶邦轮廓线外径向距离5m范围内的围岩进行预加固，通过填充围岩裂隙，使破碎围岩胶结成整体，提高围岩整体性，使巷道在挖掘过程中不出现掉顶片邦现象，超前注浆材料为特细水泥或化学材料。二是滞后注浆，在巷道支护后进行注浆，填充支护材料与围岩之间的间隙和原岩应力释放时围岩产生的裂隙，使松动圈范围内围岩形成整体，提高松动圈的承载能力，注浆材料采用Psa42.5普通硅酸盐水泥。南翼胶带机大巷（二）自2012年6月份开拓以来，通过观测，F108-1正断层前，由于岩性相对较好，采用锚网索喷主动支护巷道断面面积由原来的22.48m2变为17.34m2，变形量为22.86%。F108-1正断层后，由于受地质条件的影响，极复杂地质异常带性质表现突出，围岩压力大，地应力显现明显。尤其采用U型棚被动支护巷道稳定性极差，变形主要表现在顶板下沉量较大，两帮收缩、底鼓严重，墙基础失脚，喷浆表面开裂，围岩整体向巷道内膨胀，巷道的变形严重，巷道断面面积由原来的20.09m2变为9.16m2，变形量为50%。采用联合支护，巷道断面面积由原来的20.09m2变为18.67m2，变形量为7%。尽管三种支护方式都结合了同样的注浆技术，但根据现场巷道情况，采用常规支护方式并没有取得成功，而联合支护取得了成功。

3、常规支护困难的因素

3.1围岩性质的特殊性

根据实测地质资料，该段巷道揭露岩层为砂质泥岩、煤线、泥岩及砂岩，局部全断面为泥岩。围岩高应力，松软脆弱，强度低，胶结差，弱膨胀。对现场岩样做岩石化学物相分析表明，岩样不含蒙脱石，而伊利石10%，高岭石高达50%，为遇水易软化弱膨胀性岩石，围岩表现出较强的蠕变特性。此外，水文地质条件复杂，岩体裂隙较为发育，巷道开挖时常常伴随裂隙水涌出现象，围岩富含遇水软化或膨胀的矿物成分。顾桥矿南翼胶带机大巷（二）围岩中，岩石体现出来的岩性主要是极复杂地质异常带所表现的的特征。同时从掘进过程中发现：围岩来压大、自稳时间短，巷道变形速度快、变形量大、持续时间长，尤其采用常规支护巷道段，出现大量锚杆崩断，螺帽和托盘陷入巷道顶邦，锚索拉断或失锚，U型棚严重变形，棚梁腿折断，底板底鼓等现象。围岩的极复杂地质异常带特性，是导致常规支护困难的主要原因。

3.2单一支护的局限性

（1）锚网索喷支护应根据围岩松动圈支护理论设计，设计参数应以松动圈大小来确定，围岩松动圈产生过程中的碎胀力是支护对象。在极复杂地质异常带中，地压显现特征为压力大，随着原岩应力释放，锚杆（索）达到屈服强度，锚杆（索）破坏，围岩变形量变大，变形时间变长，松动圈范围逐渐扩展，当围岩的松动圈大于锚杆（索）锚固范围，锚杆（索）失去作用，此时岩石及上覆岩层的重量大于锚杆（索）锚固力及围岩自我承载能力而出现巷道变形，锚固层随之出现开裂破坏。根据现场实际情况，采用单独的锚网索喷支护或加大锚杆密度的方法来控制极复杂地质异常带变形低不合理的。

（2）U型棚支护其最大特点是被动待压，根本不存在预应力，处于被动状态；不能充分利用围岩的承载能力，支护载体单薄，支撑能力较差；不能直接作用于围岩，支护材料和围岩之间存有空间，容易造成围岩继续松动、膨胀，还因岩层的流变错动造成应力集中，导致支护变形。

3.3注浆工艺与常规支护不耦合

极复杂地质异常带经过注浆后岩体的整体性虽然增加了，但抵抗变形和承载能力并没有得到显著提高。随着支护时间延长，压力变大，对于主动支护来讲，锚杆锚索产生徐变，预应力减小，巷道变形逐渐变大；对于

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被动支护来讲，岩石及上覆岩层的重量大于围岩的自我承载能力，注浆只能缓解极复杂地质异常带变形，不得抵抗变形。

4、注浆工艺+联合支护的推广价值

超前注浆，是保证施工安全和巷道按标准成型的基本保证，然后采用锚网索主动支护，可以在围岩刚出现变形趋势时，做到及时支护，给围岩在变形的初级阶段，提供一定的初锚力和较大的锚固力，能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。针对极复杂地质异常带特征，围岩必然产生一定变形，释放一些能量。当第一阶段围岩变形和能量释放到一定程度，巷道围岩变形基本稳定。再通过U型棚形成被动支护，以适应第二阶段围岩变形的要求，根据新奥法原则，在锚网索和U型棚之间预留变形空间保证充分释放高应力强膨胀变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力[5]。再通过填充注浆，及时胶结原岩应力释放时围岩产生的裂隙，控制松动圈扩展；同时，填充两种支护之间的间隙，让水泥浆与钢筋网和U型棚凝结在一起，实现深部高应力极复杂地质异常带巷道钢筋混凝土厚壁支护。注浆工艺为联合支护的“刚柔”结合提供了条件，同时最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，通过锚网索支护充分深部围岩强度，使锚网——浅部围岩——锚索——深部围岩——混凝土——U型棚支架达到完全结合，实现变形协调；能充分转化了围岩中膨胀性塑性能，释放了围岩中的高应力变形能。

5、经验总结及施工建议：

5.1、对于极复杂地质异常带巷道主动支护时，锚索长度适当加长，将松动圈范围控制在锚索支护长度之内。

5.2、滞后注浆在被动支护后10天左右最为适宜，当围岩变形和能量释放到一定程度，巷道围岩变形基本稳定后，注浆效果最佳。

5.3、巷道掘进时，根据净断面要求，爆破时扩大300mm—600mm，为锚网索和U型棚之间预留变形空间。

5.4、主动支护时，由于是极复杂地质异常带，锚杆施工好后，再施工锚索，由于锚杆铁垫片小容易造成锚杆周围岩体掉落，从而锚杆达不到预应力要求。先打锚索再打锚杆影响较小。

5.5、由于极复杂地质异常带遇水软化垮落或膨胀，施工施工锚杆（索）时，采用施工旱眼法效果为最佳。